銅鋅錫硒太陽能電池及其制造方法技術

本發(fā)明專利技術提供涉及一種銅鋅錫硒太陽能電池及其制造方法。更具體地，本發(fā)明專利技術的銅鋅錫硒太陽能電池包括：襯底；設置在襯底上的背電極層；通過非真空電化學沉積而設置在背電極層上的銅鋅錫硒吸收層；設置在銅鋅錫硒吸收層上的緩沖層；依次設置在緩沖層上的本征氧化鋅層和摻鋁氧化鋅層；以及設置在摻鋁氧化鋅層上的收集電極。本發(fā)明專利技術避免了稀有金屬的使用，又實現(xiàn)了銅鋅錫硒薄膜太陽能電池的低成本制造和工業(yè)化生產(chǎn)。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及新能源領域，更具體地涉及一種新型低成本太陽能電池及其制備方法。
技術介紹
隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求與日俱增，能源和環(huán)境對可持續(xù)發(fā)展的約束越來越嚴重。太陽能作為一種清潔的可再生能源，將會成為未來能源消耗的主要組成部分之一，而太陽能電池可以直接將光能轉化為電能，是利用太陽能的最直接的方式，目前正受到世界各國的重視和發(fā)展。然而目前在市場上占主導地位的硅太陽能電池存在能耗大、原料成本高而導致發(fā)電成本居高不下等問題，限制了這樣的太陽能電池的推廣應用。為了降低成本，新一代薄膜太陽能電池已經(jīng)成為近年來太陽能電池的研究熱點。在新一代薄膜太陽能電池材料中，銅銦鎵硒太陽能電池由于具有吸收系數(shù)高、光電轉換效率高并且抗輻射性強等優(yōu)點，被認為是下一代最有前途的太陽能電池之一。然而，銅銦鎵硒太陽能電池中的吸收層銅銦鎵硒的合成需要銦，而銦是地球稀少元素，每年全球產(chǎn)量僅約1200噸，這大大限制了銅銦鎵硒太陽能電池的發(fā)展。新型半導體材料銅鋅錫硒(Cu2ZnSnSe4)所含元素資源豐富，Zn和Sn在地殼中的豐度為75和22ppm，而且同樣具有與太陽能光譜非常匹配的直接帶隙I. OeV和對可見光的高吸收系數(shù)(IO4CnT1),理論效率高達32%，有望替代銅銦鎵硒太陽能電池中的吸收層。目前國際上效率最高的摻硫的銅鋅錫硫硒太陽能電池已獲得了很高的效率，然而由于在銅鋅錫硫硒吸收層的制備中采用了肼溶液法，在生產(chǎn)上具有很大的安全隱患，很難被推廣應用。其他采用磁控濺射或共蒸發(fā)等真空技術制備的銅鋅錫硒太陽能電池也獲得了較高的效率，但由于在吸收層的制備過程中需要采用昂貴的真空設備，所以很難實現(xiàn)低成本的生產(chǎn)。
技術實現(xiàn)思路
為了解決上述現(xiàn)有技術中一些或全部問題而形成了本專利技術。本專利技術發(fā)現(xiàn)，采用電化學沉積的方法來制備銅鋅錫硒薄膜，可以避免使用昂貴的真空設備以及有毒的肼溶液，從而可以實現(xiàn)銅鋅錫硒太陽能電池的低成本制造和工業(yè)化生產(chǎn)。因此，本專利技術的一個目的是提供一種新型銅鋅錫硒太陽能電池。本專利技術的另一個目的是提供一種制造銅鋅錫硒太陽能電池的新方法。在一方面，本專利技術提供了一種銅鋅錫硒太陽能電池，其包括襯底；設置在襯底上的背電極層；通過非真空電化學沉積設置在背電極層上的銅鋅錫硒吸收層；設置在銅鋅錫硒吸收層上的緩沖層；依次設置在緩沖層上的本征氧化鋅(ZnO)層和摻鋁氧化鋅(AZO)層；以及設置在摻鋁氧化鋅(AZO)層上的收集電極。在一個優(yōu)選實施方式中，銅鋅錫硒吸收層是P型銅鋅錫硒吸收層并且緩沖層是η型硫化鎘(CdS)緩沖層。在一個優(yōu)選實施方式中，銅鋅錫硒吸收層的厚度為1000_3000nm。在一個優(yōu)選實施方式中，η型硫化鎘(CdS)緩沖層的厚度為50_100nm。在一個優(yōu)選實施方式中，襯底是玻璃襯底。在一個優(yōu)選實施方式中，背電極層是金屬鑰(Mo)背電極層，并且其厚度為500_1000nm。在一個優(yōu)選實施方式中，收集電極是鋁收集電極。 在另一方面，本專利技術提供一種制造前述銅鋅錫硒太陽能電池的方法，包括以下步驟在襯底上設置背電極層；通過非真空電化學沉積在背電極層上設置銅鋅錫硒吸收層；在銅鋅錫硒吸收層上設置緩沖層；在緩沖層上依次設置本征氧化鋅(ZnO)層和摻鋁氧化鋅(AZO)層；以及在摻鋁氧化鋅(AZO)層上設置收集電極。在一個優(yōu)選實施方式中，銅鋅錫硒吸收層是通過在背電極層上非真空電化學沉積銅鋅錫(CuZnSn)合金層后，對銅鋅錫合金層進行硒化處理而設置在該背電極層上的。在進一步優(yōu)選的實施方式中，非真空沉積銅鋅錫合金層使用的電解液包含3 15mM硫酸銅、3 15mM硫酸鋅、3 15mM硫酸錫以及O. I O. 3M的絡合劑，并且相對于飽和甘汞電極的沉積電位為-O. 9V至-I. 2V。在進一步優(yōu)選的實施方式中，硒化處理的硒源溫度為250_450°C，銅鋅錫合金層的溫度為450-550°C，并且硒化處理的時間為10-30分鐘。本專利技術通過采用非真空電化學沉積，優(yōu)選在非真空電化學沉積銅鋅錫金屬層后再進行硒化處理而制備的銅鋅錫硒薄膜作為太陽能電池中的吸收層，提供了理論光電轉換效率高達32%的新型銅鋅錫硒太陽能電池。本專利技術不僅克服了現(xiàn)有太陽能電池的吸收層中的原料如稀有金屬銦的來源受限的問題，而且在本專利技術的銅鋅錫硒吸收層的制備中又不需要使用昂貴的真空設備，因而可以實現(xiàn)銅鋅錫硒太陽能電池的低成本制造和工業(yè)化應用。附圖說明圖I為示出了根據(jù)本專利技術一種實施方式的銅鋅錫硒太陽能電池的結構的示意圖；圖2為示出了根據(jù)本專利技術一種實施方式的銅鋅錫硒太陽能電池的剖面結構的掃描電鏡圖；以及圖3為根據(jù)本專利技術一種實施方式的方法制造的銅鋅錫硒太陽能電池的I-V曲線圖。具體實施例方式本專利技術的目的是采用通過非真空電化學沉積的方法制備的銅鋅錫硒層或銅鋅錫硒薄膜作為太陽能電池的吸收層而提供銅鋅錫硒太陽能電池，同時實現(xiàn)銅鋅錫硒太陽能電池的低成本制造和易于工業(yè)化推廣。本專利技術的銅鋅錫硒太陽能電池包括襯底，包括但不限于玻璃襯底或不銹鋼襯底；設置在襯底上的背電極層，包括但不限于金屬鑰(Mo)背電極層，并且優(yōu)選其厚度為 500-1000nm ；通過非真空電化學沉積例如電解沉積而設置在背電極層上的銅鋅錫硒吸收層，優(yōu)選為P型銅鋅錫硒吸收層，并且優(yōu)選其厚度為1000-3000nm ；設置在銅鋅錫硒吸收層上的吸收層，優(yōu)選為對應于P型銅鋅錫硒吸收層的η型硫化鎘(CdS)緩沖層，并且優(yōu)選其厚度為50-100nm ； 依次設置在緩沖層上的本征氧化鋅(ZnO)層和摻鋁氧化鋅(AZO)層；以及設置在摻鋁氧化鋅(AZO)層上的收集電極，優(yōu)選為鋁收集電極。本專利技術的銅鋅錫硒太陽能電池的制備方法為如下I.在襯底如玻璃襯底的表面上，例如利用本領域已知的磁控濺射方法沉積背電極層，例如金屬鑰(Mo)層，其中沉積功率優(yōu)選為100-200W，沉積氣壓優(yōu)選為O. 15-l.OPa，并且沉積的被金屬層厚度優(yōu)選為500-1000nm。2.通過非真空電化學沉積例如電解沉積方法，在背電極層如金屬鑰(Mo)背電極層上沉積銅鋅錫硒吸收層。優(yōu)選地，沉積銅鋅錫硒吸收層如下實施首先，通過非真空電化學沉積如電解沉積方法在背電極層如金屬鑰(Mo)背電極層上沉積銅鋅錫(CuZnSn)合金層。優(yōu)選該銅鋅錫合金層的厚度為500-2000nm，并且優(yōu)選所使用的電解液包含3 15mM硫酸銅、3 15mM硫酸鋅、3 15mM硫酸錫以及適量的絡合劑例如O. 1-0. 3M的檸檬酸鈉，并且其中優(yōu)選相對于飽和甘汞電極的沉積電位為-O. 9V至-1.2V;接著，對所沉積的銅鋅錫合金層進行硒化處理以獲得銅鋅錫硒吸收層。優(yōu)選地，硒化處理在一個雙溫區(qū)的密閉石英管中進行，用于硒化處理的硒源包括但不限于單質硒，并且硒源溫度優(yōu)選為250-450°C，銅鋅錫(CuZnSn)合金層的溫度優(yōu)選為450_550°C，硒化處理的時間優(yōu)選為10-30分鐘。優(yōu)選地，所獲得的銅鋅錫硒吸收層的厚度優(yōu)選為1000-3000nm。3.在銅鋅錫硒吸收層表面上例如利用化學浴的方法沉積緩沖層如η型CdS緩沖層。優(yōu)選地，其厚度為50-100nm。4.在緩沖層如CdS層上例如利用磁控濺射方法依次沉積本征氧化鋅(ZnO)層和摻鋁氧化鋅(AZO)層。以及5.在摻鋁氧化鋅(AZO)層上例如利用本領域已知的蒸鍍方法沉積收集電極如鋁本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種銅鋅錫硒太陽能電池，包括：襯底；設置在所述襯底上的背電極層；通過非真空電化學沉積而設置在所述背電極層上的銅鋅錫硒吸收層；設置在所述銅鋅錫硒吸收層上的緩沖層；依次設置在所述緩沖層上的本征氧化鋅層和摻鋁氧化鋅層；以及設置在所述摻鋁氧化鋅層上的收集電極。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：李紀，馬圖騰，魏銘，朱長飛，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發(fā)明
國別省市：